4.3 解析函数的罗朗展开 数学物理方法第四章

数学物理方法 · 4.3 解析函数的罗朗展开
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第四章 / 4.3

解析函数的罗朗展开

教材印刷页 87—96 · 本节目标 根据圆环选择展开方式,理解系数与奇点附近的结构。

4.3 / 01 · 本节应用

罗朗级数与负整数次幂

第 87—88 页开头:为什么还需要另一种展开?

泰勒展开只有:

这些非负整数次幂。

但是:

在 点就无法写成一个在中心附近成立的普通泰勒级数。

怎么办?

允许使用:

于是得到罗朗级数:

把它拆开看:

负幂部分非负幂部分

罗朗级数就是允许负整数次幂的展开。

但不是允许任何幂。例如:

涉及分支,不能直接当成本章这种普通罗朗级数中的一项。

4.3 / 02 · 第88—89页

收敛圆环的来源

正幂部分:

通常要求离中心不要太远:

负幂部分:

可以令:

它就变成关于 的普通幂级数:

要求 不要太大,换回 ,就是离中心不要太近:

两边都要成立,因此取交集:

这就是收敛圆环。

你可以这样记:

  • 正幂部分限制外边界;
  • 负幂部分限制内边界;
  • 罗朗级数要两部分分别收敛。

这里的双向无穷求和,不是在允许你随便把两端重新配对抵消。

特殊情况也包括在内:

  • :去掉中心的圆;
  • :向外无限延伸的圆环;
  • 两者同时出现:整个去心平面。

4.3 / 03 · 第89—91页

罗朗定理与系数唯一性

定理说:

如果 在圆环

内单值解析,那么在这个圆环中:

系数是:

这里 要位于圆环中,正向绕中心一周。

中心 本身可以不解析,甚至可以不属于定义域。 只要圆环内部解析,就能使用定理。

因此,在中心是奇点时,不能再用:

硬求系数,因为中心的那些导数可能根本没有定义。

教材证明的结构仍然来自柯西积分公式。

选两个同心圆:

  • 在 的内侧;
  • 在 的外侧。

两条圆都按逆时针方向记,则:

外圆上:

所以像泰勒证明一样,展开出 的非负次幂。

内圆上:

就反过来配:

从而展开出 的负次幂。

外圆贡献非负幂,内圆贡献负幂。

这就是整段证明最值得记住的结构。

教材随后证明展开唯一。核心积分是:

如果要提取 ,就在展开式两边乘:

再积分,只有 那一项留下。

因此:

同中心、同一圆环中的罗朗展开唯一。

为什么这个“同一圆环”必须说?

因为换圆环,展开式可能完全不同。下一道例题就是这件事。

这里也提前指出一个与第五章的联系:

第五章的留数,就是这个负一次幂系数。 所以罗朗展开不只是换一种写法,它会直接变成积分计算工具。

4.3 / 04 · 第92页

孤立奇点与去心邻域

假设:

内每个点都解析,只有中心 不解析,那么 是孤立奇点。

“孤立”的意思是:

能在它周围画一个足够小的去心圆,里面找不到其他奇点。

这种去掉中心的小圆,就是去心邻域。

例如:

在 附近,除了 自己,没有别的奇点。因此它是孤立奇点。

但教材给的:

情况不同。

它在:

有奇点,而且:

因此,不管在 周围画多小的去心圆,里面都会出现其他奇点。

所以:

是非孤立奇点。

后面可去、极点、本性这三分法,针对的是孤立奇点。必须先检查“孤立”。

4.3 / 05 · 本节应用

分式向内和向外的展开规则

先把最常用的规则讲透。

设要以 为中心展开:

令:

则:

在内侧:。

提出常数 :

因此:

得到的是非负次幂。

在外侧:。

提出变量 :

因此:

得到的是负次幂。

这两种展开来自同一条几何级数公式。

它们都来自:

区别只是:哪个量除以哪个量,才能让模小于 1。

做题时最重要的顺序是:

先看区域决定怎样提因子配几何级数

4.3 / 06 · 第92—93页

同一函数在五个区域的展开

教材函数是:

先部分分式分解:

两个奇点在:

以 为中心,到它们的距离分别是 1 和 2,所以自然分成三个区域:

下面不仅做教材要求的外环,也把内圆、中间圆环一起做掉。它们能把方法串起来。

区域一:。

对两项来说,都位于相应奇点的内侧:

因此:

这个区域包含中心,展开没有负幂,因此也是泰勒展开。

区域二:。

对奇点 2,仍在内侧:

对奇点 1,已经在外侧:

所以:

现在同时出现了正幂和负幂。

区域三:。

对两个奇点都在外侧:

因此:

注意 项为零,所以开头其实是:

同一个函数,三个区域,三种展开。

下面切换区域,可以看见每个展开式究竟覆盖哪里:

图 4-4 罗朗展开的同心圆环

同一个函数,展开区域变了,展开式也会变

教材还要求在 附近展开。

这时中心变了,要令:

于是:

在:

内:

因此:

如果改到外环:

则:

所以:

这里要提前指出一个非常重要的限制:

判断中心的奇点类型,必须用贴着中心的去心邻域展开。

上面外环展开有无限多个负幂,但中心 实际上只是一阶极点。你不能拿远离中心的外环展开,判断中心附近的奇异性。

4.3 / 07 · 第93—94页

复合三角函数的罗朗展开

还是先换中心:

则:

利用正弦加法公式:

代入基础展开:

所以:

成立范围:

因为正弦、余弦的基础展开对任意有限输入都成立,而这里唯一排除的是 。

这道题训练的是:

平移中心代数拆分加法公式代入已知级数

不需要用罗朗系数积分公式一项一项去积。

4.3 / 08 · 第94—96页

贝塞尔函数与系数的两种表示

教材研究:

其中 是实参数。

它在整个去心平面解析,因此可以展开成:

这道例题的目的,是展示:

同一个罗朗系数,既能通过积分得到,也能通过相乘后的同次幂合并得到。两种结果相等,就产生特殊函数的表示公式。

方法一:用系数积分公式。

单位圆参数化:

而:

所以:

这里参数化后,前面的 已经被 中的 抵消。对照教材中第 94 页时,这一行应使用 。

把指数拆成余弦和正弦:

其中正弦积分为零。原因是作:

后,被积函数变号,因此积分等于自己的相反数。

于是:

方法二:拆成两个指数级数相乘。

分别展开:

两项相乘产生的幂次是:

要找 的系数,就令:

当 时,,于是:

这个函数被记作:

也就是整数阶第一类贝塞尔函数。

负指标满足:

因此:

再利用罗朗展开的唯一性,把两种系数表示对应起来:

教材最后说 关于 的幂级数收敛半径为无穷大。看相邻非零项的比值:

就能理解这个结论。

这一大段到底要学成什么样?

  • 必须理解:合并同次幂时,令 。
  • 应当理解:同一个系数的两种表示为何可以相等。
  • 可以暂缓熟记:贝塞尔函数的积分式和完整系数式。

它出现在这里,是给后面的数学物理问题准备特殊函数,同时演示罗朗展开的用途。做本章普通有理函数展开、奇点分类题,不需要先把贝塞尔公式背熟。

本节自测

完成自编检查题 8—9,先独立作答,再展开解析核对方法与条件。

来源与使用说明

依据严镇军《数学物理方法》复变函数部分第四章及本次完整讲解重新编排。正文对应书中第78—103页,原书习题对应第103—107页;在用户提供的教材扫描PDF中,文件页序等于印刷页码加6。自编检查题与原书习题分开编号。

讲义保留定义、定理条件、证明主线、例题步骤与适用范围。教材第94页参数化积分的系数按推导更正为1/(2π);第101页涉及本性奇点取倒数与商时,补充去心邻域非零及孤立性条件。具体说明见4.3与4.4。

整理日期 2026年10月15日。公式、图形、样式与交互均内嵌,可离线阅读。打印时自动展开答案,并使用静态矢量图。